Tehnici de selecție și prelucrare a materialelor pentru piesele mecanice comune

 

În domeniul proiectării mecanice și al producției, selectarea materialelor adecvate și a tehnicilor de prelucrare adecvate este crucială pentru asigurarea performanței, calității și rentabilității pieselor mecanice. Acest articol oferă o analiză aprofundată a principiilor de selecție a materialelor, a tipurilor de materiale și a tehnicilor de prelucrare pentru piesele mecanice comune, cu scopul de a oferi informații valoroase inginerilor mecanici și profesioniștilor înrudiți.

 

 

IPrincipii de selecție a materialelor

 

Selectarea materialelor pentru piesele mecanice necesită o luare în considerare cuprinzătoare a mai multor factori, inclusiv cerințele de performanță, procesabilitatea și eficiența economică. În mod specific, principalele principii ale selecției materialelor includ următoarele:

 

1. Cerințe de performanță

Materialul trebuie să îndeplinească mai întâi cerințele de performanță specifice în condițiile de funcționare ale piesei, cum ar fi rezistența, duritatea, rezistența la uzură, rezistența la coroziune și rezistența la oboseală. Acest lucru necesită ca proiectantul să aibă o înțelegere aprofundată a condițiilor de lucru ale piesei, inclusiv a forțelor pe care le va întâmpina, a mediului de lucru (cum ar fi temperatura, umiditatea și expunerea la anumite substanțe) și orice cerințe speciale (cum ar fi conductivitatea termică). , conductivitate electrică și proprietăți magnetice).

 

2. Procesabilitate

Procesabilitatea materialului afectează direct ușurința de fabricație, eficiența producției și costul. Procesabilitate bună include factori precum forjabilitatea, sudarea și prelucrabilitatea, care ajută la reducerea dificultății și costurile de fabricație și la îmbunătățirea eficienței producției.

 

3. Eficiență economică

În timp ce îndeplinesc cerințele de performanță și procesabilitate, este important să selectați materiale cât mai eficiente din punct de vedere al costurilor pentru a minimiza costul total al produsului. Acest lucru presupune ca proiectanții să ia în considerare prețurile materialelor, costurile de procesare și costurile ulterioare de întreținere și utilizare.

 

 

▲ Etape pentru selectarea materialului în piesele mecanice

 

 

II Tipuri comune de materiale

 

Materialele utilizate în mod obișnuit pentru piese mecanice includ în principal următoarele categorii:

 

1. Oțel

Oțelul este unul dintre cele mai frecvent utilizate materiale pentru piesele mecanice, caracterizat prin rezistență ridicată, plasticitate și tenacitate bune, precum și performanțe excelente de prelucrare. În funcție de cerințele de aplicare și de performanță, oțelul poate fi împărțit în oțel structural obișnuit, oțel carbon de înaltă calitate, oțel structural aliat și oțel turnat, printre altele.

 

2. Fontă

Fonta are o bună capacitate de turnare, amortizare a vibrațiilor și rezistență la uzură, dar rezistența și duritatea sa sunt relativ scăzute. Prin urmare, fonta este adesea folosită pentru fabricarea pieselor care suportă sarcini statice și uzură prin frecare, cum ar fi paturile și carcasele mașinilor-unelte.

 

3. Metale neferoase

Metalele neferoase, cum ar fi cuprul și aliajele de cupru, aluminiul și aliajele de aluminiu, au o densitate mai mică și o conductivitate electrică și termică bună, făcându-le utilizate pe scară largă în domeniile electric, electronic și aerospațial. În piesele mecanice, metalele neferoase sunt adesea folosite pentru fabricarea de componente structurale ușoare, lagăre de alunecare etc.

 

4. Materiale plastice de inginerie

Odată cu dezvoltarea științei materialelor, aplicarea materialelor plastice de inginerie în piesele mecanice devine din ce în ce mai răspândită. Materialele plastice de inginerie sunt ușoare, rezistente la coroziune și au proprietăți bune de izolare, ceea ce le face potrivite pentru fabricarea de piese neportante, rezistente la coroziune sau izolate.

 

 

III Analiza proceselor de prelucrare

 

Procesele de prelucrare a pieselor mecanice sunt diverse, incluzând de obicei strunjirea, frezarea, găurirea, șlefuirea, forjarea și turnarea prin injecție. Diferite procese de prelucrare sunt potrivite pentru diferite materiale și forme ale pieselor, care vor fi introduse separat mai jos.

 

1. Întoarcere

Strunjirea este o metodă de prelucrare în care piesa de prelucrat este fixată într-un dispozitiv de susținere rotativ, iar uneltele tăie treptat materialul din piesa de prelucrat pentru a obține forma și dimensiunea dorite. Strunjirea este potrivită pentru fabricarea pieselor cilindrice, cum ar fi arbori și manșoane. Precizia și rugozitatea suprafeței strunjirii depind de alegerea sculei și de setarea parametrilor de tăiere.

 

2. Frezare

Frezarea este o metodă de prelucrare care decupează material de pe suprafața unei piese de prelucrat folosind o unealtă rotativă pentru a produce suprafețe plane, suprafețe concave și convexe, roți dințate și alte piese de formă complexă. Frezarea poate fi împărțită în tipuri, cum ar fi frezarea frontală, frezarea verticală, frezarea la capăt, frezarea cu roți dintate și frezarea conturului, fiecare tip fiind potrivit pentru diferitele nevoi de prelucrare.

 

3. Foraj

Găurirea este o metodă de prelucrare prin care se taie material dintr-o piesă de prelucrat folosind un burghiu rotativ pentru a forma găuri cu diametrul și adâncimea necesare. Găurirea este utilizată în mod obișnuit pentru fabricarea pieselor de tip găuri, cum ar fi găurile pentru șuruburi și găurile pentru rulmenți. Precizia și eficiența găuririi depind de selecția burghiilor, de setarea parametrilor de tăiere și de implementarea măsurilor de răcire și lubrifiere.

 

4. Măcinarea

Slefuirea este o metoda de prelucrare care taie sau macina treptat materialul de pe suprafata unei piese de prelucrat folosind unelte abrazive pentru a obtine forma, dimensiunea si calitatea suprafetei dorite. Slefuirea este potrivită pentru prelucrarea pieselor cu cerințe de înaltă precizie și calitate a suprafeței, cum ar fi matrițe, piese mecanice de precizie și unelte. Precizia și calitatea suprafeței șlefuirii depind de alegerea sculelor abrazive, de setarea parametrilor de șlefuire și de metoda de strângere a piesei de prelucrat.

 

5. Forjare

Forjarea este o metodă de prelucrare a metalelor care modelează materialele metalice prelucrate la cald în formele dorite prin presare. Forjarea este potrivită pentru fabricarea pieselor cu forme complexe și cerințe de performanță mecanică ridicată, cum ar fi roți dințate și arbori. Forjarea poate îmbunătăți structura organizatorică internă a materialelor, sporind rezistența și duritatea pieselor.

 

6. Turnare prin injecție

Turnarea prin injecție este un proces în care plasticul topit este injectat într-o matriță și solidificat pentru a produce piesele necesare. Turnarea prin injecție este potrivită pentru fabricarea unor cantități mari de piese din plastic de formă complexă, cum ar fi carcase pentru telefoane mobile și componente pentru automobile. Precizia și calitatea suprafeței turnării prin injecție depind de designul matriței, de performanța mașinii de turnat prin injecție și de alegerea materialelor plastice.

 

 

IV Proiectarea detaliată a traseelor ​​tipice de proces cu arc și săgeți

 

Piese de arbore

 

Materialele utilizate în mod obișnuit pentru piesele arborelui variază foarte mult, în primul rând alese pe baza unor factori precum rezistența, rigiditatea, rezistența la uzură, fabricabilitatea și considerentele economice. Mai jos sunt câteva materiale comune pentru piesele arborelui și caracteristicile acestora:

 

1. Oțel carbon

• Oțel structural carbon de înaltă calitate:Cum ar fi clasele 35, 45, 50 etc., aceste oțeluri au proprietăți mecanice generale ridicate și sunt utilizate pe scară largă. Dintre acestea, oțelul 45 este cel mai des folosit datorită performanței sale bune. Pentru a-și îmbunătăți și mai mult proprietățile mecanice, se efectuează adesea tratamente de normalizare sau de călire și revenire.
• Oțel structural de carbon obișnuit:Cum ar fi Q235, Q275 etc., aceste oțeluri sunt potrivite pentru arbori care suportă sarcini relativ scăzute sau mai puțin critice.

 

2. Oțel aliat

Oțelul aliat are proprietăți mecanice ridicate, dar este relativ scump, utilizat în mod obișnuit pentru arbori cu cerințe speciale. De exemplu, arborii care funcționează în condiții de viteză mare, sarcină mare sau temperatură ridicată folosesc adesea oțel aliat pentru a îndeplini cerințele specifice de performanță. Oțelurile aliate comune includ 20Cr, 20CrMnTi, 40CrNi, 38CrMoAlA etc., care, după cementare, călire și alte tratamente termice, pot îmbunătăți semnificativ rezistența la uzură, tenacitatea la impact și rezistența la oboseală a arborilor.

 

3. Fontă

Fonta ductila:Datorită performanței sale bune de turnare, este ușor de turnat în forme complexe și are o amortizare bună a vibrațiilor și o sensibilitate scăzută la concentrarea tensiunilor. Este adesea folosit pentru fabricarea arborilor de formă complexă. În special, fonta ductilă cu pământuri rare și magneziu dezvoltată în China a fost aplicată pe scară largă în producția de piese importante ale arborelui în industria auto, tractoarelor și mașinilor-unelte, datorită rezistenței sale excelente la impact, reducerii frecării și proprietăților de absorbție a vibrațiilor.

 

4. Fontă de înaltă rezistență

Are, de asemenea, proprietăți bune de turnare și amortizare a vibrațiilor, făcându-l potrivit pentru fabricarea arborilor de formă complexă.

 

 ▲ 38CrMoAIA Exemplu

 

 

Piese de viteze

 

Selectarea materialelor angrenajului este un proces complex care necesită luarea în considerare a diverșilor factori, inclusiv cerințele de sarcină, viteza, condițiile de mediu, cerințele de zgomot și vibrații și considerații economice.

 

1. Oțel forjat

Oțelul forjat este fabricat prin procesul de forjare și are proprietăți superioare în comparație cu oțelul obișnuit. Angrenajele din oțel forjat au rezistență ridicată, rezistență ridicată la uzură și rezistență bună la impact, ceea ce le face unul dintre cele mai frecvent utilizate materiale pentru fabricarea angrenajelor. Materialele obișnuite din oțel forjat includ oțel 45, care poate avea proprietățile sale mecanice îmbunătățite prin tratament termic.

 

2. Oțel turnat

Oțelul turnat este folosit în mod obișnuit pentru fabricarea angrenajelor mai mari, deoarece angrenajele cu diametru mare nu sunt potrivite pentru forjare. Angrenajele din oțel turnat au rezistență și tenacitate bune, dar structura lor internă poate să nu fie la fel de densă ca oțelul forjat și poate necesita tratament termic pentru a-și îmbunătăți performanța.

 

3. Oțel aliat

Oțelul aliat este realizat prin adăugarea unei anumite cantități de elemente de aliere la oțelul obișnuit, rezultând o rezistență și duritate mai mari. Angrenajele din oțel aliat sunt adesea folosite în aplicații care suportă sarcini mai mari și funcționează la viteze mai mari.

 

4. Fontă gri

Fonta cenușie este relativ fragilă și are o rezistență scăzută la impact și rezistență la uzură, dar are capacități bune de anti-găling și anti-sâmburi. Prin urmare, angrenajele din fontă gri sunt utilizate în mod obișnuit în situațiile în care funcționarea este lină, vitezele sunt scăzute și puterea nu este mare.

 

5. Fontă ductilă

Fonta ductilă este tratată printr-un proces special de tratament termic, determinând grafitul din structura sa internă să se distribuie într-o formă sferică, ceea ce îmbunătățește rezistența și tenacitatea fontei. Angrenajele din fontă ductilă au o performanță cuprinzătoare bună și sunt potrivite pentru aplicații cu cerințe de performanță mai ridicate.

 

6. Materiale nemetalice

Materiale plastice, pulberi metalice etc.:În anumite circumstanțe speciale, cum ar fi sarcina ușoară, viteză mică sau când este necesară reducerea zgomotului și a vibrațiilor, materiale nemetalice pot fi utilizate pentru fabricarea angrenajelor. Aceste materiale sunt ușoare, produc zgomot redus și sunt ușor de prelucrat, dar capacitatea lor de încărcare și rezistența la uzură sunt inferioare materialelor metalice.

 

De exemplu, angrenajele utilizate în automobile sau tractoare.

 

▲ 20CrMnTi Exemplu

 

Piese de scule

 

Alegerea materialelor pentru scule este crucială pentru performanța și durata de viață a acestora. La alegerea materialelor pentru scule, trebuie luați în considerare diverși factori, inclusiv scopul sculei, proprietățile materialelor care sunt prelucrate, condițiile de tăiere și considerații economice. Mai jos sunt câteva materiale comune pentru instrumente:

 

1. Oțel de mare viteză

 

Caracteristici:

• Rezistență ridicată și duritate bună, permițând muchii ascuțite.
• Lucrabilitate bună, ușor de forjat și prelucrat.
• Împărțit în oțel de mare viteză obișnuit și oțel de mare viteză de înaltă performanță. Oțelul obișnuit de mare viteză are viteze de tăiere mai mici, în timp ce oțelul de mare viteză de înaltă performanță este produs prin creșterea conținutului de carbon și vanadiu și prin adăugarea de elemente precum cobalt și aluminiu, rezultând o durabilitate mai mare.

 

Aplicatii:

• Folosit în general pentru unelte de formă complexă, cum ar fi burghie elicoidale, robinete, aleze, tăietoare cu roți dintate și unelte de formare, adesea realizate din oțel de mare viteză.

 

2. Carbură cimentată

 

Caracteristici:

• Duritate extrem de mare, cu duritate care atinge 74–82 HRC la temperatura camerei și rezistență la căldură de până la 900–1000 de grade, oferind performanțe excelente de tăiere.
• Viteze mari de tăiere, capabile să depășească 100 m/min la tăierea oțelului carbon.
• Cu toate acestea, are duritate slabă, rezistență slabă la impact și vibrații, iar muchiile nu sunt ușor de ascuțit până la o ascuțire extremă, cu o prelucrabilitate mai slabă.

 

Clasificare și aplicații:

• Carbura cimentată este clasificată în funcție de GB2075-87 în tipuri P, M și K. Tipul P este utilizat pentru prelucrarea așchiilor lungi de metale negre; Tipul M este utilizat pentru prelucrarea metalelor negre și a metalelor neferoase; Tipul K este pentru prelucrarea așchiilor scurte de metale negre, metale neferoase și materiale nemetalice.

 

3. Oțel inoxidabil

 

Caracteristici:

• Ușor de întreținut, rezistență puternică la coroziune, potrivit pentru utilizare în medii umede sau corozive.
• Cu toate acestea, duritatea și claritatea sa pot să nu fie la fel de mari ca oțelul cu conținut ridicat de carbon și, de obicei, este mai scump.

 

Aplicatii:

• Folosit în cuțite de bucătărie de uz casnic, instrumente medicale chirurgicale și în alte situații care necesită curățare frecventă și întreținere a igienei.

 

4. Oțel cu conținut ridicat de carbon

 

Caracteristici:

• Duritate ridicată și claritate bună, potrivite pentru prelucrare și tăiere de precizie.
• Cu toate acestea, este predispus la rugină și necesită întreținere și îngrijire regulată.

 

Aplicatii:

• Folosit la aparate de ras, cuțite de exterior și alte aplicații care necesită duritate și claritate ridicate.

 

 

▲ Plite de viteze

 

 

▲ Plite de viteze Descrierea procesului principal

 

 

V Concluzie

 

Selectarea materialelor și a metodelor de prelucrare pentru piesele mecanice comune este un proces complex și sistematic care necesită luarea în considerare a mai multor factori. La selectarea materialelor, alegerile ar trebui să se bazeze pe performanța, capacitățile de procesare și aspectele economice ale pieselor; la alegerea metodelor de prelucrare, deciziile trebuie luate în funcție de forma, dimensiunea, cerințele de suprafață ale pieselor și caracteristicile materialelor. Prin selecția rațională a materialelor și tehnicilor de prelucrare, performanța, calitatea și rentabilitatea pieselor mecanice pot fi optimizate.